高纯超细ZrC-SiC复合粉体的合成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无机非金属材料领域，涉及一种高纯超细ZrC-SiC复合粉体的合成方法。
【背景技术】
[0002]ZrC是一种难熔金属碳化物，具有高熔点(3530°C )、高硬度(25.5GPa)以及与金属相近的高热导率和电导率、高的化学稳定性和良好的耐辐射特性。高纯超细ZrC粉体广泛应用于航空航天器的耐超高温结构陶瓷及抗氧化涂层、核工业热光电辐射器涂层及核燃料颗粒涂层、超高温耐火材料等领域。为了降低ZrC陶瓷与涂层的烧结温度，改善其断裂韧性和抗氧化性，或者要获得一些其它特殊性能，有时需添加一定量的SiC粉体与ZrC粉体混合后得到ZrC-SiC复合粉体来使用。但两种粉体均匀混合比较困难，同时，高纯超细ZrC粉体和SiC粉体的制备也有很高的技术含量。
[0003]合成ZrC粉体和SiC粉体的方法很多，主要有电弧炉碳热还原法、自蔓延高温合成法、溶胶-凝胶法、气相反应法合成等。
[0004]以合成ZrC粉体为例描述:
[0005]目前工业化生产方法主要是电弧炉碳热还原法，该法以锆英砂(ZrSi04)或斜锆石(Zr02)为原料，配加适量的石油焦粉或石墨粉，在电弧炉内高温真空或氩气保护条件下，原料中的氧和硅与碳发生反应分别形成C0和S1气体被挥发排除，通过这种直接还原碳化生成ZrC粉体。该工艺原材料成本低，生产工艺已比较成熟，适合于工业化生产。但该法生产的ZrC粉体纯度低，粒径粗大，不能满足耐超高温结构陶瓷及各类功能涂层的要求。
[0006]自蔓延高温合成法(SHS)是合成ZrC粉体的一种实用技术，在惰性气体保护下，将接近Zr:C=1:1比例(略富碳)的机械活化的金属锆和石墨混合粉末点火后，利用化合物合成时的反应热，使反应持续进行下去，即可得到ZrC粉体。该工艺的要害是需要合理控制燃烧合成反应速度和温度，具有工艺过程简单、节能降耗、生产效率高等优点。但其燃烧工艺过程控制比较困难，合成粉体颗粒较粗大，粒径分布不均匀，各批次之间的一致性较差。
[0007]溶胶-凝胶法(sol-gel)现已成为制备各种超细粉体的工艺技术，使用含Zr的金属醇盐、碳源材料、水、醇及必要的催化剂组成溶胶液体，经水解缩聚形成湿凝胶，再经干燥、热处理、研磨，即可得到超细ZrC粉体。该工艺的优点是可以在较低温度实现合成反应，容易制得高纯超细纳米级ZrC粉体，也适于ZrC薄膜的制备。但其原材料成本高，工艺过程复杂，生产效率低，容易造成废气和废水污染，一般适合于实验室研究应用，难以进行工业化生产。
[0008]近年来发明了各种气相反应法合成难熔化合物超细粉体的工艺技术。例如，以高纯的ZrCl4和烷类气体为锆源和碳源材料，在合适气体保护条件下，将其注入到约10000K的超高温中形成离子状态，冷却过程中发生化学反应直接形成纳米ZrC粒子；将Zr (0C4H9) 4在高能激光器激光束作用下分解，先形成Zr/0/C纳米粉末，然后在氩气环境中，经1500°C热处理合成得到纳米ZrC粒子。此类方法的优点是可以获得结晶状态良好、粒子形状可控和纯度高的纳米超细粉体，但由于设备要求高，原材料昂贵，耗能大及环保问题，致使其成本很高，工业化生产有较大困难。
[0009]为了获得高纯超细的ZrC粉体，人们改进了碳热还原法，使用高纯ZrOjj粉与石墨粉或碳黑为原料，按一定比例混合均匀后放入碳管炉中，在1600°C?1800°C惰性气体保护条件下进行碳热还原反应，可以获得质量较高的ZrC粉体。这种方法的优点是原材料来源方便，生产工艺过程可控，易实现工业化生产等优点。但由于原料Zr02粉体与石墨粉或碳黑均为固体颗粒，达到完全均匀混合非常困难，这就使得碳热还原反应难以充分进行，粉体中容易存在未反应完全的氧和自由碳，因此通常需在较高的温度条件(1600°C?1800°C )下进行，造成粉体粒径粗大，并增加能耗和易造成设备损坏。
[0010]最近，有人使用液态高残碳率有机物(如酚醛树脂等)作为碳源材料与高纯Zr02粉体或氯氧化锆原料反应合成ZrC粉体，其优点是可以使碳源和锆源材料均匀混合，反应易于进行。但此类树脂价格偏高，通常不能溶于水，需使用有机溶剂，且其热分解产物很坚硬，不易粉碎；也有关于使用蔗糖为碳源合成碳化物粉体的报道，但实验表明，蔗糖中C组分在热分解过程中极易发泡和流失，其理论含C量为42wt %，但在400°C热分解后C产率仅不足20wt%，且不同条件下C产率会有所变化，这就给Zr:C比例的准确配制带来很大困难。
[0011]采用上述工艺技术，以石英砂、金属硅粉、二氧化硅微粉、四氯化硅、硅溶胶等硅源材料代替锆源材料，也可适于SiC粉体的合成。但关于一步法合成高度均匀混合的高纯超细ZrC-SiC复合粉体至今未见报道。
【发明内容】
[0012]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高纯超细ZrC-SiC复合粉体的合成方法，合成的ZrC-SiC复合粉体混合非常均匀。
[0013]本发明所述的高纯超细ZrC-SiC复合粉体的合成方法，以硅酸锆单独或者在硅酸锆中添加氧化锆或硅溶胶中的一种或两种作为锆源和硅源材料，以蔗糖或葡萄糖作为碳源材料，以丙烯酰胺单体和亚甲基双丙烯酰胺交联剂作为凝胶材料，制备高纯超细ZrC-SiC复合粉体。
[0014]本发明所述的高纯超细ZrC-SiC复合粉体为纯度彡99%、粒径d5。彡Ιμπι的ZrC-SiC复合粉体。
[0015]优选以硅酸锆单独或者在硅酸锆中添加氧化锆或硅溶胶中的一种或两种作为锆源和硅源材料，合成的50% ZrC-50% SiC复合粉体更可达到分子级别的均匀混合，因为ZrSi04*解原位形成。
[0016]以硅酸锆单独或者在硅酸锆中添加氧化锆或硅溶胶中的一种或两种作为锆源和硅源材料，控制Zr和Si总量与C的摩尔比为1:3.5?1:4。以硅酸锆作为锆源和硅源材料，硅酸锆中可以配以适量的氧化锆(Zr02)或硅溶胶(Si02)作为锆源和硅源材料。
[0017]所述的高纯超细ZrC-SiC复合粉体的合成方法，包括以下步骤:
[0018](1)将锆源和硅源材料、碳源材料混合，加入去离子水和分散剂混磨，配制成水基料浆；
[0019](2)向步骤(1)得到的水基料浆中再加入丙烯酰胺单体和亚甲基双丙烯酰胺交联剂作为凝胶材料，混磨得到可凝胶化水基料浆；
[0020](3)将水基料浆原位凝胶固化；
[0021](4)在烘箱中干燥脱水并进行预碳化处理，再放入碳管加热炉中进行碳热还原合成反应，得到微晶结构ZrC-SiC复合粉体；
[0022](5)再在乙醇溶剂中研磨分散细化处理，干燥后即得到高纯超细ZrC-SiC复合粉体。
[0023]其中:
[0024]去离子水为碳源重量的50%?100%，包括添加硅溶胶中所含的水；分散剂为聚丙稀酸钱分散剂，分散剂加入量为错源和娃源材料重量1%?3%。
[0025]丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺按重量比为15:1?25:1混合。步骤(2)中交联剂亚甲基双丙烯酰胺的添加量为步骤(1)中去离子水重量的10%?20%。
[0026]步骤(2)中混磨时间为0.5_2h。
[0027]步骤(3)中将水基料浆原位凝胶固化采用以下三种方法中的一种:
[0028]a、向步骤(2)得到的可凝胶化水基料浆中加入引发剂，再加入四甲基乙二胺或三乙醇胺水溶液催化剂，搅拌均匀后在室温静置，使水基料浆原位凝胶固化；
[0029]b、向步骤⑵得到的可凝胶化水基料浆中加入引发剂，然后加热至60°C?80°C保温，使水基料浆原位凝胶固化；
[0030]c、向步骤(2)得到的可凝胶化水基料浆中加入氧化还原剂的水溶液，其中氧化还原剂为过硫酸铵和亚硫酸铵按质量比为1?2:1的混合物，搅拌均匀后在室温静置，使水基料浆原位凝胶固化。
[0031]作为一种优选方案，步骤(3)中将水基料浆原位凝胶固化采用以下三种方法中的一种:
[0032]a、向步骤(2)得到的可凝胶化水基料浆中加入浓度为5%?20%的过硫酸铵水溶液引发剂，加入量与可凝胶化水基料浆的体积比为0.5-3:100 ;再加入浓度为40-60%的四甲基乙二胺或三乙醇胺水溶液催化剂，加入量与可凝胶化水基料浆的体积比为0.5-2:100，搅拌均匀后在室温静置2min?lOmin，使水基料浆原位凝胶固化；
[0033]b、向步骤(2)得到的可凝胶化水基料浆中加入浓度为5%?20%的过硫酸铵水溶液引发剂或者浓度为5%?10%的偶氮引发剂水溶液，加入量与可凝胶化水基料浆的体积比为1-3:100，然后加热至60°C?80°C保温2min?lOmin，使水基料浆原位凝胶固化；
[0034]c、向步骤⑵得到的可凝胶化水基料浆中加入浓度为10%?20%的氧化还原剂水溶液，其中氧化还原剂为过硫酸铵和亚硫酸铵按质量比为1?2:1的混合物，加入量与可凝胶化水基料浆的体积比为2-4:100，搅拌均匀后在室温静置2min?lOmin，使水基料浆原位凝胶固化。
[0035]其中:
[0036]偶氮引发剂为氮二异丁脒盐酸盐或偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐。
[0037]步骤(4)中干燥脱水温度为100°C?120°C，预碳化处理温度为180°C?220°C。
[0038]步骤(4)中进行碳热还原合成反应为:在真空或氩气保护条件下，升温至1450°C?1600°C，保温lh?4h，进行碳热还原合成反应。
[0039]步骤(5)为:步骤(4)合成的ZrC-SiC复合粉体以无水乙醇为溶剂，采用有聚胺脂或尼龙内衬和用WC-Co硬质合金研磨介质球的磨机进行研磨分散处理，避免粉体表面氧化和杂质混入，干燥后即得到高纯超细ZrC-SiC复合粉体。
[0040]步骤(5)以无水乙醇为溶剂，用磨机对合成的ZrC-SiC复合粉体进行研磨分散细化处理。为避免杂质混入，采用有聚胺脂或尼龙等高分子材料内衬和用WC - Co硬质合金研磨介质球的磨机处理，然后在80°C左右温度烘箱中排除乙醇溶剂，即得到高纯超细ZrC-SiC复合粉体。
[0041]综上所述，本发明具有以下优点:
[0042]